EA004521B1

EA004521B1 - Способ и устройство для получения газа на месте потребления

Info

Publication number: EA004521B1
Application number: EA200200903A
Authority: EA
Inventors: Джон Колер
Original assignee: Глобал Петентс Девелопмент Корпорейшн
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2004-06-24
Also published as: DE60130870T2; US20040035704A1; BR0108641A; CA2401203C; ATE375410T1; WO2001063011A1; CN1420945A; EP1259658A1; CN1288280C; EA200200903A1; CA2401203A1; EP1259658B1; AU3588701A; AU2001235887B2; DE60130870D1

Abstract

Данное изобретение относится к способу и устройству для получения на месте потребления сравнительно малых количеств галогенного газа, предпочтительно хлорсодержащего газа. Устройство имеет по меньшей мере одну электролитическую ячейку, имеющую анодную секцию и катодную секцию. По меньшей мере одна из этих секций связана трубопроводом для жидкости с нагревателем для жидкости, нагревающим электролитический раствор до его поступления в секцию. Нагревание также обеспечивает циркуляцию электролитического раствора через устройство посредством эффекта термосифона. Нагревательный элемент в свою очередь связан с устройством пополнения электролита. Данное устройство включает по меньшей мере один газоотделитель, который отделяет газ, полученный в электролитической ячейке, от электролитического раствора. В устройстве отсутствует резервуар для хранения электролитического раствора.

Description

Данное изобретение относится к способу и устройству для получения газа на месте потребления, в частности, но не исключительно, хлорсодержащего газа.

Предпосылки создания изобретения

Наличие устройства для получения хлорсодержащего газа на месте потребления имеет многочисленные преимущества. Хлорсодержащий газ считается опасной субстанцией, и его хранение и транспортировка подлежат строгому контролю. Дополнительно к этому, а также из-за его опасного статуса, транспортировка ёмкостей с жидким хлором дорога. Это повышает расходы производственных установок, использующих данный газ.

Имеется также рынок генераторов по получению на месте потребления сравнительно небольших объемов хлорсодержащего газа для установок, потребляющих небольшие количества хлорсодержащего газа. Эти установки включают заводы по водоочистке и очистке сточных вод, а также стояки водяного охлаждения, где вода, используемая в этих стояках, подвергается хлорированию. Для того чтобы избежать необходимости хранения хлора, эти установки могли бы использовать устройства, вырабатывающие на месте необходимое количество хлора. Хлорсодержащий газ и гипохлорит натрия используются также в качестве дезинфицирующего средства.

Дополнительно к этому сравнительно небольшие генераторы хлорсодержащего газа можно использовать в сельской местности для очистки воды и превращения в питьевую той воды, которую получают из небольших запруд и рек.

Дополнительно к устройствам по получению хлора имеется также рынок устройств, которые производят иные газы по потребности и на месте потребления. Такие газы могут включать бром, используемый в качестве средства для стерилизации сельскохозяйственных земель и который в особенности эффективен в борьбе с нематозами земель.

Устройства, производящие хлорсодержащий газ посредством электролиза, хорошо известны. Эти устройства производят хлорсодержащий газ посредством анода электролитической ячейки, через который пропускается хлорид натрия. На катоде образуются водородосодержащий газ и едкий натр.

Многие из вышеуказанных устройств применимы и применялись для получения хлорсодержащего газа на месте потребления. Один из примеров раскрыт в патенте США № 4,308,123. В этом примере используется электролитическая ячейка, имеющая анод и катод, разделенные между собой химически резистентной мембраной по обмену ионами, пропускающей только позитивно заряженные ионы. Анодная камера заполнена раствором кислоты хлорного на трия, а катодная камера заполнена щелочным водным раствором. Когда через камеру пропускается электрический ток, получается хлорсодержащий газ на аноде и водород, и едкий натр на катоде. Полученные хлор и едкий натр могут быть соединены для образования гипохлорита натрия. Вышеуказанное устройство имеет тот недостаток, что необходимы питающие емкости или резервуары анолитов и католитов, а также пеноуловители анолитов и католитов. Эти емкости представляют собой потенциальную опасность, в особенности в полупромышленной окружающей среде, где контроль за безопасностью может осуществляться с недостаточной тщательностью.

Более того, многие известные генераторы газа нуждаются в насосах для циркуляции электролитических растворов. Эти насосы требуют источника энергии и зачастую весьма сложных систем контроля. Дополнительно они также требуют регулярного обслуживания, что в отдаленных местах является недостатком, в особенности принимая во внимание потенциально опасный характер получаемых газов.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для получения газов на месте потребления, в частности хлорсодержащего газа, которые, по меньшей мере, частично устраняют вышеуказанные недостатки.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен способ получения на месте потребления газа, включающий следующие этапы:

A) формирование способного к диссоциации раствора электролита, который при работе диссоциирует на положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы, при этом по меньшей мере один из которых является ионом газообразного элемента;

Б) нагревание раствора электролита в верхнем слое по меньшей мере одной электролитической ячейки, что вызывет его циркуляцию и рециркуляцию через трубопроводы и через по крайней мере одну электролитическую ячейку посредством эффекта термосифона;

B) высвобождение газа из раствора на электроде по меньшей мере одной электролитической ячейки;

Г) пропускание высвобождающегося газа и электролитического раствора по меньшей мере через один газоотделитель для отделения газа от электролитического раствора до рециркуляции электролитического раствора в электролитической ячейке; и

Д) исключение нахождения электролита в резервуаре в течение всего времени протекания процесса.

Далее предусматривается в целях осуществления циркуляции электролитического раствора вынос газовых пузырьков, производимых в одной электролитической ячейке или во всех электролитических ячейках, и ориентация трубопроводов, ведущих из одной электролитической ячейки или из всех электролитических ячеек в газоотделитель или во все газоотделители, предпочтительно вертикально, тем самым обеспечивая эффект газлифта.

Изобретение также предусматривает повышение концентрации раствора, если это необходимо, и насыщение водой для восполнения потерь путем пропускания ее через трубу для растворения электролитической соли, при этом труба монтируется предпочтительно горизонтально, а также пополнение электролитической соли в трубе свежей солью, предпочтительно из бункера.

Изобретение предусматривает, что электролитический раствор является галогенидом металла, предпочтительно хлоридом натрия, альтернативно хлоридом калия.

Далее предусматривается, что анодная и катодная секции электролитической ячейки или всех электролитических ячеек должны быть отделены друг от друга ионной селективной мембраной, предпочтительно мембраной из перфторированного полимера, которая позволяет прохождение ионов натрия, альтернативно калия, через нее, и которая, однако, непроходима для ионов галогена, предпочтительно хлора, водородсодержащего газа и гидроксила.

Далее предусматривается добавление воды, предпочтительно дистиллированной, альтернативно деминерализованной воды, к раствору едкого натра, альтернативно едкого калия, на стороне катода электролитической ячейки для поддержания заранее определенной концентрации натрия, альтернативно калия, в катодном растворе.

Далее предусматривается также способ получения гипохлорита натрия, альтернативно гипохлорита калия, путем смешивания хлора и гидроксида натрия, альтернативно хлора и гидроксида калия, получаемых способом согласно данному изобретению.

Изобретение относится также к устройству для получения на месте потребления газа, которое включает по меньшей мере одну электролитическую ячейку, имеющую анодную секцию и катодную секцию, при этом по меньшей мере одна секция соединена трубопроводами для жидкости с нагревателем для жидкости, нагревающим при работе электролитический раствор перед его попаданием в указанную секцию, и обеспечивает циркуляцию электролитического раствора по устройству с помощью эффекта термосифона, при этом электролитический раствор способен к диссоциации на положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы, по меньшей мере один из которых является ионом газообразного элемента. Нагревательный элемент в свою очередь может быть соединен при помощи трубопроводов для жидкости с устройством для компенсации раствора. Предусмотрен по меньшей мере один газоотделитель, который при работе отделяет газ, полученный в электролитической ячейке от электролитического раствора, при этом отсутствует резервуар для хранения электролитического раствора.

Далее предусматривается, что каждый газоотделитель должен оперативно устанавливаться над электролитической ячейкой или над всеми элетролитическими ячейками, и соединяющие их трубопроводы должны быть ориентированы вертикально, тем самым, позволяя циркуляцию электролитического раствора посредством эффекта газлифта.

Предусмотрено также устройство пополнения, представляющее собой предпочтительно горизонтально ориентированную трубу для растворения электролитной соли, через которую протекает электролитический раствор из газоотделителя или из всех газоотделителей до протекания через нагревательный элемент, при этом труба для растворения соли должна соединяться с загрузочным бункером пополнения электролитической солью, содержащим желаемую соль, а также, что труба для растворения соли должна соединяться с солеотделителем, предпочтительно с фильтром, соединённым с нагревательным элементом и который при работе убирает макрочастицы соли из электролита до его введения в нагревательный элемент.

Изобретение далее предусматривает, что электролитом должен быть раствор металлического галогенида, предпочтительно хлорида натрия, альтернативно хлорида калия, что газ, полученный на стороне анода электролитической ячейки, должен быть галогеном, предпочтительно хлором, и что водородосодержащий газ и гидроксид натрия, альтернативно калия, должны получаться на катодной стороне электролитической ячейки.

Далее предусматривается, что анодная и катодная секции электролитической ячейки или всех электролитических ячеек, должны быть разделены мембраной из перфторированного полимера, позволяющей прохождение через неё ионов натрия, альтернативно калия, однако которая непроходима для хлорсодержащего и водородосодержащего газа.

Далее предусматривается добавление воды, предпочтительно дистиллированной, альтернативно деминерализованной, к раствору гидроксида натрия, альтернативно калия, на катодной стороне электролитической ячейки для поддержания концентрации гидроксида натрия, альтернативно калия, в катодном растворе.

Предусмотрено также устройство, производящее гипохлорит натрия, альтернативно гипохлорит калия, путем смешивания хлора и гидроксида натрия, альтернативно гидроксида калия, получаемых в соответствии с данным изобретением.

Краткое описание чертежей

Один из вариантов изобретения описывается ниже лишь в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых фиг. 1 является схематической диаграммой варианта способа получения на месте потребления хлорсодержащего газа в соответствии с данным изобретением;

фиг. 2А-С - соответственно схематический первый вид сбоку, схематический второй вид сбоку и схематический вид сверху устройства для получения на месте хлорсодержащего газа в соответствии со способом по фиг. 1 и фиг. 3А-С - соответственно вид спереди, вид сверху и вид сбоку по разрезу матрицы ячеек для электролиза, применяемых в устройстве, изображенном на фиг. 2.

Подробное описание со ссылкой на чертежи

Со ссылкой на фиг. 1 способ получения хлорсодержащего газа на месте потребления включает этапы:

A) формирование первого, способного к диссоциации электролитического раствора хлорида натрия или соляного раствора (1), который транспортируется через трубопровод (2) к анодной секции (3) электролитической ячейки (7), и второго, способного к диссоциации щелочного водного раствора (4), который транспортируется через трубопровод (5) к катодной секции (6) электролитической ячейки (7), которая разделяется на секции мембраной из перфторированного полимера (8), позволяющей прохождение через нее ионов натрия и непроходимую для ионов хлора, водорода и гидроксида;

Б) подогрев первого электролитического, способного к диссоциации раствора (1) перед его транспортировкой к анодной секции (3) электролитической ячейки (7), что вызывает тем самым его циркуляцию и рециркуляцию через трубопроводы и через электролитическую ячейку (7) посредством эффекта термосифона;

B) высвобождение из электролитических растворов хлорсодержащего газа из анодной секции (3) и водородсодержащего газа из катодной секции (6);

Г) вынесение пузырьков хлорсодержащего и водородосодержащего газов в электролитических растворах, что обеспечивает циркуляцию электролитических растворов посредством газлифта и сбор хлорсодержащего газа (9) и водородосодержащего газа (10);

Д) данный способ отличается тем, что в течение всего времени процесса электролитический раствор не хранится в резервуаре.

В вышеописанном варианте электролитическая ячейка (7) имеет анод в своей анодной секции (3) и катод в своей катодной секции (6). Анод и катод соединены с соответственно положительным и отрицательным полюсами источника (11) постоянного тока, который в данном варианте является преобразователем постоянного тока. Преобразователь (11) постоянного тока получает переменный ток из подходящего источника (12) переменного тока.

Когда соль в первом, способном к диссоциации электролитическом растворе (1) обедняется, она восстанавливается путем добавления соли из бункера загрузочной соли (14) в предпочтительно горизонтально ориентированную трубу для диссоциации электролитической соли, по которой циркулирует первый хлорированный электролитический раствор перед его фильтрованием, нагревом и рециркуляцией в электролитическую ячейку (7).

По мере того, как раствор на анодной стороне обедняется по объему, он компенсируется путем добавления чистого свежего соляного раствора (200) в систему. Этот чистый свежий соляной раствор получается во внутреннем пространстве 201, где водопроводная вода пропускается через отдельную трубу для растворения соли, сходной с описанной в (1) выше, включая отдельный солесепаратор/фильтр, и сформированный таким образом насыщенный раствор затем пропускается через колонну, содержащую соответствующий тип полимера, при помощи которого удаляются анионовые загрязнения тяжелых металлов перед направлением очищенного раствора по трубопроводу (200) в анодную систему (1). Второй, способный к диссоциации электролитический раствор (4), восстанавливается путем добавления воды из источника (13) воды после того, как она прошла через деминерализующую установку (15). Дополнительно к хлорсодержащему и водородосодержащему газу данный способ включает получение гипохлорита натрия в реакторе (16). Гипохлорит натрия формируется путем соединения хлора и гидроксида натрия, получаемых в анолитной и католитной секциях (3 и 6) электролитической ячейки (7) соответственно. Полученный гипохлорид натрия хранится в устройстве (17).

Гидроксид натрия, полученный в катодной секции (6) электролитической ячейки (7), также может быть отделен и хранится в ёмкости (18).

Со ссылкой на фиг. 2А, В и С устройство (20) для получения хлорсодержащего газа включает по меньшей мере одну электролитическую ячейку (21), имеющую анодную и катодную секции. По меньшей мере одна секция, которая в данном варианте является анодной секцией, соединена трубопроводом (22) с нагревателем (23) жидкости, нагревающим при работе электролитический раствор до его поступления в указанную секцию электролитической ячейки (21) , и обеспечивает циркуляцию электролитического раствора по устройству посредством эффекта термосифона.

Электролитический раствор способен к диссоциации на положительно и отрицательно заряженные ионы, по меньшей мере один из которых является ионом газообразного элемента. В данном варианте получается хлорсодержащий газ и электролитический раствор в анод

Ί ной секции устройства, который превращается в раствор кислого хлорида натрия, когда хлор встречается с водой для получения гипохлорной кислоты, которая диссооциирует на положительно заряженные ионы натрия и водорода и на отрицательно заряженные ионы хлора и гидроксила. Ионы хлора и водорода соединяются с подобными ионами для формирования хлорсодержащего и водородосодержащего газа, каждый из которых циркулирует вместе с электролитным раствором через газоотделители (24 и 25), отделяющие хлорсодержащий газ и водородосодержащий газ соответственно от электролитических растворов. В данном варианте водородосодержащий газ является отходом, и он выводится в атмосферу, в то время как хлорсодержащий газ используется или подвергается дальнейшей обработке с целью получения гипохлорида натрия путем соединения хлора с гидроксидом натрия, оба из которых вырабатываются данным устройством.

Каждая электролитическая ячейка (21) разделяется на анодную секцию и катодную секцию с помощью мембраны из перфторированного полимера, которая позволяет ионам натрия проходить через нее, однако не позволяет проходить через нее ионам хлора, водорода или гидроксила. Эта мембрана эффективно разделяет устройство, а также электролитическую ячейку на анодную секцию и катодную секцию.

По мере прохождения электролита через анодную секцию электролитической ячейки (21) на аноде образуется хлорсодержащий газ, и он уносится в электролитический раствор, который обедняется. Захватываемые пузырьки газа обеспечивают циркуляцию электролита и захватываемых пузырьков газа к отделителю (24) хлорсодержащего газа путем газлифта. После прохождения через отделитель (24) хлорсодержащего газа обедненный электролит протекает через трубопровод (26) и поступает в горизонтально ориентированную трубу по растворению электролитной соли (27), которая снабжается солью хлорида натрия из бункера для соли (28) через желоб (29). В трубе (27) для растворения соли раствор электролита восстанавливается. Кристаллы соли в растворе электролита удаляются путем пропускания восстановленного электролитного раствора через солеотделитель и фильтр (30), откуда он возвращается к нагревателю (23) жидкости для повторения процесса.

При прохождении электролита через катодную секцию электролитической ячейки (21) на катоде выделяется газообразный водород. Пузырьки газообразного водорода, как и хлорсодержащего газа, уносятся в электролитический раствор и обеспечивают его циркуляцию через отделитель (25) газообразного водорода. После изъятия водорода и гидроксида натрия добавляется вода, прошедшая через деминерализирующую колонну (31) с целью восстановления раствора катодного электролита, который протекает через катодную секцию электролитической ячейки (21).

Катодный электролитический раствор не нагревается непосредственно, как это происходит в анодном электролитическом растворе. Он, однако, нагревается в электролитической ячейке (21) в результате того, что она находится в контакте с нагретым раствором анодного электролита. Предусматривается, что нагревание раствора анодного электролита до его помещения в электролитическую ячейку, повышает эффективность процесса полученя газа, так как электролит имеет свою оптимальную температуру. Электрический ток для анода, катода и нагревателя поступает из сети переменного тока. В случае подключения тока на анод и катод он проходит через преобразователь постоянного тока (не показан).

Со ссылкой на фиг. 3А, В и С показаны детали серии электролитических ячеек (40) для использования в устройстве по фиг. 2. В настоящем варианте имеются две электролитические ячейки (40), каждая отделена мембраной из перфторированного полимера (41), которая пропускает ионы натрия, но не пропускает ионы хлора, водорода и гидроксила.

Каждая ячейка (40) имеет анод (42), на котором получается хлорсодержащий газ и катод (43), на котором получается водородосодержащий газ. Ячейки (40) формируются путем скрепления болтами между собой серии пластин, (тарелок) две из которых являются конечными пластинами (44), которые имеют вводы (45) и выводы (46) для раствора анодного электролита и вводы (47) и выводы (48) для раствора катодного электролита. Внутренние распорные пластины (100) образуют противоположно заряженные барьеры, через которые протекает раствор анодного электролита, начиная с нижнего угла пластины и последовательно через ячейку и вытекая с противоположного верхнего угла. Подобным образом катодный электролитический раствор поступает в ячейку с противоположного нижнего угла по отношению к анодному электролитическому раствору и выходит у противоположной верхней стороны. Анолит и католит таким образом текут противотоком, что при работе максимально повышает эффективность. Установка скрепляется болтами с использованием опорных пластин (101) и болтов (102).

Очевидно, что могут быть осуществлены многочисленные варианты вышеописанного технического решения, не отклоняясь от его сути. Эти варианты, в частности, предусматривают способ и устройство для получения хлорсодержащего газа и водородосодержащего газа. То же устройство может использоваться для получения хромосодержащего газа или в действительности любого газа, который может быть получен при электролитической реакции.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения газа, включающий следующие этапы:

A) формирование способного к диссоциации раствора электролита, который при работе диссоциирует на положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы, по меньшей мере один из которых является ионом газообразного элемента;

Б) нагревание раствора электролита в верхнем слое по меньшей мере одной электролитической ячейки, вызывающее его циркуляцию и рециркуляцию через трубопроводы и через электролитическую ячейку или через каждую из электролитических ячеек за счёт эффекта термосифона;

B) пропускание высвобождающегося газа и электролитического раствора по меньшей мере через один газоотделитель для отделения газа от электролитического раствора до рециркуляции электролитического раствора в электролитической ячейке.
2. Способ получения газа по п.1, в котором циркуляция электролитического раствора осуществляется за счёт выделения пузырьков газа, полученных в электролитической ячейке или всех электролитических ячейках, в вертикально расположенных трубопроводах, ведущих из электролитической ячейки или каждой из электролитических ячеек к газоотделителю или каждому из газоотделителей.
3. Способ получения газа по п.1, в котором концентрация электролита в растворе при необходимости повышается для восполнения потерь за счёт смешивания воды с электролитом при пропускании через смонтированную горизонтально трубу для растворения электролитной соли.
4. Способ получения газа по п.1, в котором электролитический раствор является галогенидом металла и газ, получаемый на анодной стороне электролитической ячейки, является галогеном.
5. Способ получения газа по п.4, в котором соль галогенида металла является хлоридом натрия или хлоридом калия и газ, получаемый на анодной стороне электролитической ячейки, является хлором.
6. Способ получения газа по п.5, в котором газообразный водород и гидроксид натрия или гидроксид калия получаются на катодной стороне электролитической ячейки.
7. Способ получения газа по п.6, в котором гипохлорит натрия или гипохлорит калия также получают за счёт смешивания хлора и гидроксида натрия или хлора и гидроксида калия.
8. Устройство для получения газа, включающее по меньшей мере одну электролитическую ячейку, имеющую анодную секцию и катодную секцию, при этом по меньшей мере одна секция соединяется трубопроводами жидкости с нагревателем жидкости, который при работе нагревает электролитический раствор перед его поступлением в указанную секцию и обеспечивает циркуляцию электролитического раствора через устройство посредством эффекта термосифона, при этом электролитический раствор способен к диссоциации на положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы, и по меньшей мере один из которых является ионом газообразного элемента, при этом нагревательный элемент может соединяться посредством трубопроводов жидкости с устройством пополнения электролита, и по меньшей мере один газоотделитель, который при работе отделяет полученный в электролитической ячейке газ от раствора электролита, и при этом в устройстве отсутствует резервуар для хранения электролитического раствора.
9. Устройство для получения газа по п.8, в котором газоотделитель или каждый из газоотделителей установлен над электролитической ячейкой или над всеми электролитическими ячейками и в котором трубопроводы, связанные с электролитической ячейкой или всеми электролитическими ячейками, ориентированы вертикально, что обеспечивает циркуляцию электролитического раствора за счет эффекта газлифта.
10. Устройство для получения газа по п.9, в котором устройство для пополнения является ориентированной горизонтально трубой для растворения электролитической соли, через которую электролитический раствор течет из газоотделителя или из каждого из газоотделителей перед протеканием через нагревательный элемент и который имеет фильтр, удаляющий при работе макрочастицы соли из электролита перед его введением в нагревательный элемент.
11. Устройство для получения газа по п.8, в котором труба для растворения соли соединена с загрузочной воронкой электролитической соли, содержащей желаемую соль, и с солеотделителем, который соединен с нагревательным элементом, при этом солеотделитель удаляет макрочастицы соли из электролита перед его введением в нагревательный элемент.
12. Устройство для получения газа по п.11, в котором электролит представляет собой раствор галогенида металла, газ, получаемый на анодной стороне электролитической ячейки, является галогеном и газообразный водород и гидроксид металла получают на катодной стороне электролитической ячейки.
13. Устройство для получения газа по п.12, в котором галогенид металла является хлоридом натрия или хлоридом калия, газ, получаемый на анодной стороне электролитической ячейки, является хлором, а газообразный водород и гидроксид натрия или гидроксид калия получают на катодной стороне электролитической ячейки.
14. Устройство для получения газа по п.8, в котором анодная и катодная секции электроли тической ячейки или всех электролитических ячеек отделены друг от друга селективной мембраной из перфторированного полимера, позволяющей прохождение ионов натрия или калия через нее, но непроходимой для галогена, водородосодержащего газа и гидроксила.